Конспект лекции: Методы измерения температуры



Выбор метода измерения температуры зависит от диапазона измеряемых температур, требуемой точности, быстродействия и допустимой величины входного теплового сопротивления измерительного устройства, т.е. его входной теплоемкости.

В диапазоне низких и средних температур используются в основном контактные методы измерения, при этом используются термометры сопротивления и термоэлектрические преобразователи (термопары). В терморезисторных преобразователях используется свойство проводников или полупроводников изменять свое сопротивление при изменении их температуры. В термометрах сопротивления обычно используют в качестве проводников медь или платину. Преимуществом медных термометров сопротивления является линейная зависимость их сопротивления от температуры : R=R0(1+0,004ΔT), где R0 - сопротивление при 293° К. Чувствительность такого ПИП 0,004R0K-1, а относительная чувствительность 0,004K-1. Недостатком медных термометров сопротивления является узкий температурный диапазон (220-400К). С целью расширения этого диапазона применяют платиновые термометры сопротивления. Их использование возможно до 1400К. Однако, зависимость их сопротивления от температуры имеет нелинейный характер, что является их недостатком.

Значительно более высокие температуры позволяют измерять термоэлектрические преобразователи – термопары. Верхняя граница их диапазона достигает 2300К. Недостатки – высокая инерционность и очень низкий коэффициент полезного действия.

Бесконтактные методы измерения температуры основаны на использовании энергии излучения нагретых тел. Приборы для измерения температуры, основанные на использовании энергии нагретых тел, называют пирометрами, которые делятся на яркостные, радиационные и цветовые. Яркостные пирометры основаны на измерении спектральной интенсивности излучения. Они измеряют не действительную температуру реальных тел, а яркостную, т.е. такую температуру, которую бы имело абсолютно черное тело при той же спектральной интенсивности излучения. В результате этого возникает погрешность измерения, которая может быть рассчитана по формуле:

Радиационные пирометры измеряют температуру по плотности интегрального излучения. Они измеряют не действительную температуру, а радиационную ТР. Погрешность измерения определяется по формуле:

Цветовые пирометры основаны на измерении так называемой цветовой температуры ТЦ определяемой по отношению интенсивности спектрального излучения абсолютно черного тела на двух каких либо выбранных длинах волн. Погрешность может быть рассчитана по формуле:

В качестве приемников излучения при радиационных методах наибольшее распространение получили оптоэлектрические преобразователи.

При измерении низких температур применяются пироэлектрические преобразователи. Их особенность – реагирование не на излучение, а на его изменение.

Основным преимуществом фотоэлектрических и пироэлектрических преобразователей излучений является их малая инерционность (τ=10-5-10-3 с). Это позволило на их основе построить тепловизоры, дающая возможность на экране увидеть цветовое изображение исследуемой поверхности, цвет которой характеризует ее температуру.

Рассмотренные методы не позволяют проводить измерения температур, близких к абсолютному нулю, а также температур внутри твердых тел, не нарушая их целостности. Такими возможностями располагает термошумовой метод, основанный на том, что во всяком теле вследствие флуктуаций электрических элементарных зарядов возникает разность потенциалов, среднее квадратическое значение которой определяется выражением:

В качестве термопреобразователя используется проволочный резистор, на котором измеряют шумовое напряжение, мощность или ток, создаваемые им во внешней цепи. Расчетные значения этих величин определяются из выражений:

Широкое применение находят в датчиках температуры термодиоды и термотранзисторы, работающие в диапазоне температур от -80 до +150°С. Их преимуществами являются малые габариты, возможность взаимозаменяемости, дешевизна. Связь между током через p-n переход и падением напряжения на нем определяется приближенными формулами:

Для измерения температуры чаще всего используют открытый p-n переход, напряжение на котором определяется по формуле:

Следует отметить, что чувствительность термодиодов и термотранзисторов намного превосходит чувствительность термопар.

В последнее время для измерения температур от –80 до +250°С все более широкое распространение находят кварцевые термопреобразователи, отличающиеся высокой разрешающей способностью и имеющие частотный выход. В кварцевом термопреобразователе используется зависимость собственной частоты кварцевого элемента от температуры. Высокая чувствительность (до 103 Гц/К), высокая временная стабильность (0,02К за год) и определяет перспективность их использования в цифровых термометрах.

Для того, чтобы измерять температуру с помощью термопреобразователя сопротивления, необходимо преобразовать сопротивление в электрический ток. С этой целью чаще всего используются логометры, шкала которых непосредственно отградуированная в °С.

Для измерения температуры с помощью термоэлектрического преобразователя используется либо милливольтметр типа Щ 4500, либо автоматические электронные потенциометры типа КСП-4, а также тензоусилители типа “ТОПАЗ”, различных модификаций.



Внимание! Каждый электронный конспект лекций является интеллектуальной собственностью своего автора и опубликован на сайте исключительно в ознакомительных целях.